高速公路壓覆煤炭資源節(jié)約與綜合利用探討

張玉法,王大剛,王昌念,高國強(qiáng)

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072; 2.成都理工大學(xué),四川 成都 610059;3.四川省川煤礦山勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

鐵路、公路是國民經(jīng)濟(jì)的動脈，這些構(gòu)筑物延伸長度大，留設(shè)保護(hù)煤柱時壓煤量大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國鐵路下壓煤總量達(dá)到18.91億t[1-2]。隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路下壓煤量不斷增大。而公路也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通體系的重要組成部分，近年來高速公路建設(shè)不斷發(fā)展，高速公路下壓煤開采已經(jīng)成為“三下”采煤的又一大問題。地下開采將對公路造成一定影響，高速公路下采煤已經(jīng)成為“三下”采煤的新課題，必須加以研究[3-5]。

當(dāng)前我國正處于經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展時期，建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源呈快速增長態(tài)勢。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2000～2009年,全國各省(區(qū)、市)共受理了建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源申請1.19萬件，壓覆的礦產(chǎn)資源涉及到60多個礦種，其中壓覆煤炭資源儲量達(dá)200多億t，鐵礦近1億t[6-7]。協(xié)調(diào)建設(shè)項(xiàng)目與礦產(chǎn)資源保護(hù)、開發(fā)的任務(wù)越來越重。

開采地下礦產(chǎn)(煤炭)資源和高度公路建設(shè)是既矛盾又統(tǒng)一的兩個方面。一方面是高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行安全可靠，另一方面是煤炭資源的節(jié)約與綜合利用，故而高速公路壓覆煤炭資源節(jié)約與綜合利用成為本文所探討的課題。

1 礦產(chǎn)資源背景與壓覆研究現(xiàn)狀

礦產(chǎn)資源屬于國家所有，所有權(quán)包括礦產(chǎn)資源的占有、使用、收益、處分的權(quán)能。建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源,實(shí)質(zhì)上是對礦產(chǎn)資源的處置，必須得到《礦產(chǎn)資源法》授權(quán)部門即地質(zhì)礦產(chǎn)主管部門的許可[8]。煤炭是我國主體能源，是能源安全的基石，是重要的工業(yè)原料，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[9]。為了滿足日益增長的煤炭需求，要樹立煤炭資源憂患意識，保證煤炭資源的安全有效供給，切實(shí)把節(jié)約煤炭資源放到更加重要的地位，走依靠科技進(jìn)步的道路，加快建設(shè)節(jié)約型社會，引導(dǎo)社會邁向能源有效利用的新時代。

原煤炭工業(yè)部1985年8月頒發(fā)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，在煤礦生產(chǎn)建設(shè)中曾起到了積極的作用。近十五年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國煤礦工程技術(shù)人員和科研工作者在采煤引起地表移動、覆巖破壞和底板采動影響規(guī)律，以及建筑物、水體、鐵路、井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采技術(shù)的研究應(yīng)用等方面做了大量工作，積累了相當(dāng)豐富的科學(xué)資料和時間經(jīng)驗(yàn)。原《規(guī)程》無論在內(nèi)容和深度上，還是在重要的技術(shù)要求上，都不能滿足煤礦生產(chǎn)建設(shè)的實(shí)際需要。為此，國家煤炭工業(yè)局有關(guān)部門組織科研、高等院校、生產(chǎn)企業(yè)的有關(guān)人員，根據(jù)我國近十幾年“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果，對原《規(guī)程》進(jìn)行了大量的補(bǔ)充和修訂，并廣泛征求了有關(guān)部門的意見，編制了新的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱規(guī)程)[10-11]。

國內(nèi)高速公路下采煤的研究還尚處于初始階段，目前國內(nèi)這方面主要借鑒村莊、建設(shè)物、鐵路下采煤的一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和措施[12]。本文結(jié)合納黔高速公路灣丘煤廠煤炭資源壓覆這一問題進(jìn)行了研究。根據(jù)壓煤區(qū)地質(zhì)條件和相關(guān)規(guī)程，根據(jù)移動角的大小及煤層自身情況，確定煤層安全開采深度，提出了節(jié)約與綜合利用煤炭資源的對策。

2 依據(jù)與理論模型

壓覆礦產(chǎn)是指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，因建設(shè)項(xiàng)目或規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施后，導(dǎo)致已查明的礦產(chǎn)資源不能開發(fā)利用。即報國務(wù)院和省政府審批的單獨(dú)選址建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源的審批工作，由建設(shè)單位委托有資質(zhì)的地質(zhì)勘查單位開展調(diào)查工作，編寫《建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源調(diào)查報告》，由建設(shè)項(xiàng)目所在地的縣(市、區(qū))國土資源主管部門出具項(xiàng)目壓礦證明材料，經(jīng)市國土資源主管部門初審后，按照有關(guān)規(guī)定報省國土資源主管部門或國土資源部審批[13]。

2.1 行業(yè)現(xiàn)行規(guī)程要求

國家煤炭工業(yè)出版社出版發(fā)行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》P35第64條，國家一級鐵路薄及中厚煤層的采深與單層采厚比大于或等于150時，允許采用全部垮落法進(jìn)行開采，納黔高速公路按照國家一級鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考慮[14]。

納黔高速公路為線形工程，在保證路基、路堤、路塹穩(wěn)定的前提下，地面受護(hù)面積以公路用地范圍為準(zhǔn)，沿兩側(cè)界線向外留設(shè)的圍護(hù)帶，高速公路圍護(hù)帶按保護(hù)等級Ⅰ級寬度為20m。保護(hù)煤柱在線路橫剖面上以圍護(hù)帶邊界按移動角法設(shè)置，移動角選取按規(guī)程附錄5附表5—3[15]，上山移動角(γ)取70°，下山移動角(δ)=70°-(26°×0.4)=59.6°，移動角范圍內(nèi)作為壓覆區(qū)。

2.2 理論模型

本文對高速公路煤炭資源壓覆條件進(jìn)行了系統(tǒng)的分析歸納并建立模型，根據(jù)“三下”采煤規(guī)程，將煤層1、2、3資源壓覆情況理論模型介紹如下：①模型理論比小于采深與采厚比，即如圖H1/h1<150,煤炭資源開采將會影響高速公路建設(shè)；為了滿足規(guī)程，煤炭資源不具備開采條件,煤炭資源全部壓覆，即不存在煤炭資源節(jié)約與綜合利用的問題；②模型理論比大于采深與采厚比，即如圖H3/h3≥150,煤炭資源開采將不會影響高速公路建設(shè)，煤炭資源具備開采條件，煤炭資源不存在壓覆的問題，即不存在煤炭資源節(jié)約與綜合利用的問題；③模型理論比小于采深與采厚比，即如圖H2/h2<150,煤炭資源開采將會有影響高速公路建設(shè)的可能性；為了滿足規(guī)程，如何開采煤炭資源就是關(guān)鍵的問題；通過調(diào)整采深與采厚比,使得H3/h3*∮≥150,即部分煤炭資源在滿足規(guī)程要求下具備開采條件，即存在煤炭資源壓覆及節(jié)約與綜合利用的問題。

3 資源節(jié)約的分析與研究

當(dāng)模型理論比介于采深與采厚比之間，煤炭資源開采將會有影響高速公路建設(shè)的可能性。如何開采煤炭資源，需要理論模型與實(shí)際情況結(jié)合并進(jìn)行分析研究，其中，煤層埋深是固有屬性，開采煤層的厚度為可變屬性，開采煤層分為厚煤層、中厚煤層、薄煤層及煤層群。此次以煤層采用頂板全陷落的方法作為開采基礎(chǔ)，當(dāng)開采煤層在冒落帶最大高度范圍內(nèi)的多煤層定為煤層群，超過煤層冒落帶最大高度范圍外的煤層定為單一煤層。

故開采煤層在滿足規(guī)程要求時，盡量節(jié)約利用煤炭資源，減少壓覆煤炭資源量，煤層埋深為固有屬性，不可調(diào)整；故對煤層的厚度(可變屬性)提出了要求。針對厚煤層、中厚煤層及薄煤層等單一煤層情況，需要確定開采煤層的厚度來保證滿足規(guī)程要求。

H/(h*∮)=150

(1)

式中：h為煤層厚度，m;H為煤層埋深，m;∮為開采煤層百分率，%。

根據(jù)煤層本身特征，煤層從頂?shù)降酌嘿|(zhì)的變化情況，選擇較為合適煤層的一部分進(jìn)行開采，開采的煤炭資源即為節(jié)約的資源，選擇煤質(zhì)較好的那部分為綜合利用的部分。例如，煤層賦存深度150m，煤層厚度3m，為了保證高度公路的采深與采厚比150時，本次煤層開采煤層為1m，放棄2m煤層厚度。再設(shè)煤層中部1m煤層煤質(zhì)最好，本次開采煤層煤質(zhì)最好的這部分煤，故節(jié)約利用了1m厚度的煤炭資源，同時選擇了煤質(zhì)最好的那部分煤進(jìn)行開采，進(jìn)而達(dá)到了節(jié)約與綜合利用煤炭資源的效果。

針對煤層群的情況， 可適當(dāng)選擇性開采部分煤層或者煤層的一部分，放棄部分煤層或者一部分煤層的一部分，以滿足采深與采厚比滿足規(guī)程的要求。本文介于煤層群各煤層之間距離較近考慮，煤層埋深之間相差不大，為了便于數(shù)據(jù)處理，將煤層群賦存深度統(tǒng)一考慮為一個埋深。當(dāng)埋深與各煤層開采厚度之和比滿足規(guī)程≥150要求時，即可開采，如下：

(2)

式中：h1、h2、h3為各煤層厚度，(m)；H為煤層埋深，(m)。

或者

(3)

例如，連續(xù)三層煤層C1、C2、C3，層間距為1m、2m，煤層厚度為1.5m、1.2m、1.1m；煤層埋深為345m，本次選擇開采1.2m及1.1m的煤層(兩層煤層合計(jì)厚度為2.3m,與埋深之間的比恰好滿足150)，放棄開采1.5m的C1煤層；亦可借鑒單一煤層的方法，開采煤層的的一部分；即可開采1.5m厚的煤層(∮取值為80%)上部或下部的1.2m厚的煤層，開采C1、C3煤層；亦可開采1.5m厚的煤層(∮取值為73.3%)上部或下部的1.1m厚的煤層，開采C1、C2煤層。根據(jù)不同組合及∮取值的不同，選擇開采煤層的方式多樣，本文僅做方法介紹。

4 壓覆煤炭資源實(shí)例分析

4.1 納黔高速公路及灣丘煤廠概況

四川省境內(nèi)納溪至川黔界段高速公路位于四川省南部，是國家高速公路建設(shè)規(guī)劃中國道321線重要組成路段，是四川省經(jīng)貴陽通往廣西北海出海大通道組成部分。

灣丘煤廠現(xiàn)有采礦許可證為2004年7月四川省國土資源廳頒發(fā)，證號：5100000430521，有效期自2004年7月至2014年7月，礦山范圍由9個坐標(biāo)拐點(diǎn)圈定，面積礦山面積0.8276km2，開采深度+680～+418m。

4.2 壓覆區(qū)煤炭資源特征

礦山壓覆區(qū)可采煤層4層，分別為煤層C19、C20、C24、C25、C19煤層位于龍?zhí)督M下部，下距C20煤層約12m，煤厚0.70m；C20煤層位于龍?zhí)督M下部，下距C24煤層約3.4m，煤厚0.70m；C24煤層位于龍?zhí)督M下部，下距C25煤層39m，煤厚1.0m；C25煤層位于龍?zhí)督M下部，下距P1m灰?guī)r0～3m，煤厚1.20m。

4.3 納黔高速公路與灣丘煤礦平面關(guān)系和空間關(guān)系

納黔高速公路于K48+940～K50+050段線路橫穿灣丘煤廠采礦權(quán)范圍；本次壓覆區(qū)為公路軸線K48+948～K50+050段兩側(cè)各300m。礦山開采C19、C20、C24、C25煤層，開采標(biāo)高+680～418m，煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)主要位于+560水平主運(yùn)輸大巷及各煤層運(yùn)輸巷及+620水平各煤層回風(fēng)巷。高速公路中線地面高程在720～780m，距+620水巷道高差為100～160m。

4.4 納黔高速公路壓覆煤炭資源節(jié)約與綜合利用探討

煤層埋深與采厚比直接影響到高速公路建設(shè)與運(yùn)行的安全與可靠，其安全開采深度決定了煤炭資源是否可以開采，若可以開采，如何開采得以滿足規(guī)程要求。根據(jù)納黔高速公路壓覆煤炭資源的情況，表現(xiàn)了上述理論模型的三種形態(tài)。

灣丘煤礦主要開采C19、C20、C24、C25煤層，含煤地層巖性為灰色、深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖組成，本次按照煤炭工業(yè)部制定煤炭工業(yè)出版社發(fā)行的《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》[15]，巖石以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖為主，故采用：

(4)

式中：M為累計(jì)采厚，(m)；n為煤分層層數(shù)；m為煤層厚度，(m)。

本次為高速公路建設(shè)，考慮安全可靠因素，系數(shù)取大值4。當(dāng)C19、C20、C24、C25全部開采時，冒落帶最大高度分別為2.8m、2.8m、4.0m、4.8m。C24冒落帶最大高度4.0m大于C20、C24煤層層間距3.4m，故對兩層煤進(jìn)行合并考慮。C20+24全部開采時，冒落帶最大高度6.8m。按照冒落帶最大高度可確定C19、C20+24、C25煤層開采相互之間不會產(chǎn)生影響。按照規(guī)程要求，將壓覆情況分析如下：

1)采深與采厚比<150。根據(jù)剖面圖1-1’所示，當(dāng)開采C19、C20+24、C25煤層時，需要滿足規(guī)程的采深與采厚比時，其安全開采深度分別為105m、255m、180m，該剖面煤層埋深均位于安全深度以淺。故C19、C20+24、C25煤層均不能進(jìn)行開采。

2)采深與采厚比≥150。在滿足采深與采厚比的要求時，當(dāng)C19、C20+24、C25煤層進(jìn)行開采時，煤層開采安全深度分別為105m、255m、180m，表明在礦權(quán)范圍內(nèi) C19煤層可全層開采，C25煤層可在埋深180m以下可進(jìn)行開采，C20+24煤層255m以上全部禁采。礦權(quán)范圍內(nèi)C20+24煤層255m以上浪費(fèi)，C25煤層埋深180m以上浪費(fèi)。

3)采深與采厚比由<150調(diào)整為≥150。在該剖面位置礦權(quán)內(nèi)開采埋深120～180m范圍內(nèi)C25煤炭資源，百分率∮取值多少，可保證在此范圍內(nèi)開采。根據(jù)公式1反算，C25煤層∮取值為80%時，可開采煤層厚度0.8m，采深與采厚比將等于150，恰好滿足規(guī)程要求。

在該剖面位置礦權(quán)內(nèi)開采埋深120～255m范圍內(nèi)C20+24煤炭資源時，若C20+24煤層若全部開采，采深與采厚比不能規(guī)程要求；若全部禁采，浪費(fèi)了礦權(quán)標(biāo)高范圍內(nèi)的煤炭資源。若開采C20+24其中一層煤時，可以滿足規(guī)程要求的埋深與壓覆比。因C24與C20煤層間距僅3.4m，C20煤層穩(wěn)定至較穩(wěn)定，煤質(zhì)較好，頂板便于管理；C24煤質(zhì)差、灰份重，且煤層穩(wěn)定性較好；雖C20煤層厚度小于C24煤層厚度，根據(jù)煤礦實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)上面分析，開采C20煤層較為合適，故選擇開采C20煤層，禁止開采C24煤層。

4.5 壓覆礦產(chǎn)資源量估算與對比

本文分別在各剖面上進(jìn)行分析研究，在滿足規(guī)程的要求下，確定可開采的煤層及煤層的厚度，從剖面1-1’至剖面6-6’方向，由全部壓覆至部分壓覆，根據(jù)壓覆情況，對C19、C20+24、C25煤層分別按兩種方法估算資源量。

第一種方法，開采C19、C20+24、C25全層煤層時，根據(jù)壓覆資源量估算，C19煤層壓覆礦產(chǎn)資源量4.83萬t；C20+24煤層壓覆礦產(chǎn)資源量34.83萬t；C25煤層壓覆礦產(chǎn)資源量5.97萬t；壓覆資源量共計(jì)45.63萬t。

第二種方法，開采C19全煤層，C19煤層壓覆礦產(chǎn)資源量4.83萬t。從剖面6-6’可知，開采C20+24中的C20煤層時，C20+24(C24)煤層壓覆資源量為20.49萬t。C25煤層埋深在180m以下時，從剖面6-6’可知，開采全煤層；埋深在180m以上時，開采0.8m厚的部分煤層，C25煤層壓覆礦產(chǎn)資源量1.99萬t。壓覆資源量共計(jì)27.31萬t。

兩種方法相互比較，第二種方法較第一種方法壓覆資源量少18.32萬t，故節(jié)約與綜合利用資源量為18.32萬t。本文利用方法即使高速公路建設(shè)壓覆達(dá)到了規(guī)程要求，又節(jié)約與綜合利用了煤炭資源。

5 結(jié)論與建議

對地下礦產(chǎn)資源進(jìn)行評估時，是否屬于壓覆而影響開采，應(yīng)進(jìn)行全面的調(diào)查評價來確定，不能千篇一律的死板硬套規(guī)程。在滿足規(guī)程的同時，需通過綜合分析研究，有選擇性的開采部分礦產(chǎn)資源，達(dá)到節(jié)約與綜合利用的目的。通過納黔高速公路與灣丘煤廠得壓覆實(shí)例分析可得，節(jié)約資源量18.32萬t。

在考慮壓覆煤炭資源資源量估算所采用的數(shù)學(xué)方法，主要依靠簡單的數(shù)學(xué)模型，未采用微分等高等數(shù)學(xué)方法解決節(jié)約與綜合利用這一問題，僅思路鮮明，但精度較低，深度不夠，建議在壓覆計(jì)算時，采用新的計(jì)算方法來估算資源量，達(dá)到更大程度的節(jié)約與綜合利用礦產(chǎn)資源。

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